貴州省煤層氣井固井水泥漿體系的開發(fā)研究

＊趙凌云 周培明 吳章利*

（1.自然資源部復雜構造區(qū)非常規(guī)天然氣評價與開發(fā)重點實驗室 貴州 550000 2.貴州省油氣勘查工程研究院 貴州 550000）

貴州省是煤層氣資源大省，僅次于山西、新疆，居全國第三位。貴州省預測埋深2000m以淺煤層氣資源量為31511.59億立方米，約占全國煤層氣資源量總量的10%[1]。貴州省煤層氣資源具有儲量大、分布集中、品位高等特點，具備大規(guī)模勘探開發(fā)的資源優(yōu)勢，開展煤層氣發(fā)電、液化等利用項目的前景廣闊。

煤層氣的安全高效開發(fā)需要鉆探大量的煤層氣井，并配合壓裂等增產工藝，由于煤層的特殊性，在煤層氣的開發(fā)過程中，存在較多的難題。煤層氣井的固井作業(yè)同樣面臨諸多挑戰(zhàn)：（1）貴州省煤層含氣飽和度普遍較高，超過90%的產層含氣飽和度大于50%，且主要分布在70%～90%產層，這非常有利于煤層氣井產量的保證，但這給固井作業(yè)帶來了極大的挑戰(zhàn)，對固井水泥漿的防竄性能要求較高[2]；（2）煤層裂縫發(fā)育、破裂壓力低，固井過程中水泥漿容易漏失，污染儲層、水泥漿返高難以滿足要求，為了減少水泥漿對煤層的傷害，要求水泥漿具有良好的防漏能力和較低的失水量[3]；（3）煤層的潤濕性與水泥石存在較大差異，導致界面密封質量往往較差[4]；（4）煤層埋藏較淺，井底溫度較低，水泥石強度發(fā)展緩慢，影響施工進度和施工安全[5]。下文基于顆粒級配技術設計得到了水泥體系[6]，并通過優(yōu)選早強劑等開發(fā)得到了適用于貴州煤層氣井固井用的低密度水泥漿體系，對解決貴州煤層氣井固井難題和促進貴州煤層氣的安全高效開發(fā)具有重要意義。

1.基于顆粒級配的低密度水泥體系研究

煤層一般強度較低，因而破裂壓力梯度也較低，在固井過程中容易發(fā)生水泥漿漏失。為了防止水泥漿漏失，固井時往往采用低密度水泥漿。低密度水泥漿在配制時，需要加入較多的低密度材料。低密度材料往往活性比較低，加入大量的低密度材料往往使得水泥石的強度大幅度降低。為了緩解低密度水泥漿水泥石強度的降低，可以減少水的加量。但是減少水的加量又會使得水泥漿的流變性變差，難以泵送。通過優(yōu)選圓球度好的外摻料，并通過優(yōu)選和設計不同粒徑的外摻料形成良好的顆粒級配效果可有效的兼顧水泥的流變性和高強度性能。為此，通過選擇不同粒徑的材料，形成了三元四組分的水泥體系。具體的材料為油井水泥、超細膠凝材料、微硅和玻璃微珠。材料組成如表1所示。

表1 低密度水泥體系的材料組成

2.水泥漿降失水劑的優(yōu)選

水泥漿體系的失水對固井施工至關重要。對于煤層氣固井，要求水泥漿失水＜50mL。低失水可以有效降低水泥漿漿體對產層的污染，保護井筒周圍有效的滲流通道，其良好的密封性可以有效防止氣竄，增加產能，保證后期煤層氣井的穩(wěn)定生產[7]。降失水劑的類型主要有微顆粒型（如膠乳、微硅等）、天然聚合物型（如改性纖維素等）、人工合成的聚合物（如丙烯酰胺類衍生物等）、聚乙烯醇成膜型降失水劑等。常規(guī)的降失水劑具有明顯的增黏能力，這非常不利于固井注水泥漿期間頂替效率的提高和循環(huán)摩阻的改善。聚乙烯醇成膜型降失水劑具有良好的濾失控制能力、低增黏能力和防氣竄能力，非常適合貴州高含氣飽和度煤儲層的固井問題。為此，在多種型號的降失水劑中優(yōu)選出了具有良好的濾失控制能力和低增黏特性的SGJS-2作為水泥漿降失水劑。

3.彈韌性材料的優(yōu)選

為了提高產量，貴州煤層氣井需要進行壓裂。在壓裂載荷下，水泥環(huán)會破裂失效，影響壓裂效果及后期水泥環(huán)密封完整性。傳統(tǒng)水泥環(huán)較高的彈性模量是壓裂過程中水泥環(huán)應力失效的主要原因。為了防止壓裂過程中，水泥環(huán)開裂失效，需要在水泥漿中加入彈性材料橡膠顆粒[8]。由于傳統(tǒng)的橡膠顆粒屬于親油性材料，其在水泥漿中容易聚并，影響水泥石的力學性能。為此，需要對橡膠顆粒進行表面改性處理，采用的處理方法為將橡膠顆粒在硅酸鈉水溶液中在80℃下持續(xù)加熱4h。從圖1可以看出，處理前由于潤濕性的差異，在表面張力作用下橡膠顆粒漂浮在水面上。從圖2可以看出，處理后橡膠顆粒的潤濕性變?yōu)橛H水性，橡膠顆粒全部沉積在水中。選用的橡膠顆粒的粒徑大小為120目，圖3顯示了橡膠粉加量對水泥石抗壓強度和彈性模量的影響。從圖中可以看出，隨著彈性材料加量的增加，水泥石抗壓強度逐漸降低，在橡膠粉加量為8%時，水泥石抗壓強度損失6.54MPa（20.89%），彈性模量可以降低至6GPa以下，因此確定橡膠粉加量為8%。

圖1 改性處理前橡膠顆粒在水中的狀態(tài)

圖2 改性處理后橡膠顆粒在水中的狀態(tài)

圖3 橡膠粉加量對水泥石抗壓強度和彈性模量的影響

4.早強劑的優(yōu)選

煤層氣埋藏淺，地層溫度低，在低溫環(huán)境下水泥漿強度發(fā)展緩慢，嚴重地影響固井施工進度且危害固井安全。為了改善水泥漿的強度發(fā)展速率，需要在水泥漿中加入早強劑[9]。傳統(tǒng)的氯化鈣早強劑擁有較好的促凝效果，但是會影響水泥石的安定性，也會危害固井安全。將納米二氧化硅、硫酸鈉、三乙醇胺、鋁酸鈉進行復配開發(fā)形成了一種性能優(yōu)異的早強劑，加入該早強劑后，在30℃下水泥石1d抗壓強度增強率為66%，顯示了優(yōu)異的早強性能。

5.觸變劑的優(yōu)選

貴州煤層氣井容易漏失，而且在高含氣飽和度固井過程中也非常容易發(fā)生氣竄。良好的觸變特性是防止固井水泥漿漏失和環(huán)空氣竄的有效方法[10]。水泥漿觸變性是指水泥漿在高速剪切下黏度減小，但是靜止或者低剪切速率下黏度增大的一種特性。擁有良好觸變性的水泥漿，在水泥漿泵送過程中具有較低的黏度可以確保頂替效率和防止壓漏地層，在水泥漿一旦泵注完成后，黏度快速增加，可以有效減少水泥漿靜液柱壓力向下的傳遞，形成“失重”，降低漏失動力，有效防止或緩解水泥漿的失重。此外，快速增加的水泥漿的黏度，可以有效阻止侵入水泥漿中的氣體在水泥漿中的運移，起到良好的防氣竄效果。為了防止固井過程中，環(huán)空竄流和水泥漿漏失的發(fā)生，需要在水泥漿中加入觸變劑。傳統(tǒng)的觸變劑為納米二氧化硅、黃原膠等，這些觸變劑的觸變性能良好，但同時會增加水泥漿的黏度，不利于固井質量的改善。為此，選擇了一種球形的低增黏的微球觸變劑，其可以較好地改善水泥漿的觸變性，且不會導致水泥漿黏度的額外增加，非常有利于固井安全和固井質量的改善。

6.低密高強韌性防漏防竄水泥漿體系的構建

圖4 水泥漿稠化曲線圖

本部分基于上述開發(fā)的密度為1.37g/cm3的低密度固結體系，以及優(yōu)選的早強劑、降失水劑、增韌劑等，開發(fā)形成了低密高強韌性防漏防竄水泥漿體系。

具體配方如下：水泥100%+玻璃微珠20%+微硅12%+分散劑0.2%+早強劑3.05%+2%降失水劑+120目改性橡膠粉4%+1.5%觸變劑+水固比0.52。

具體的體系性能如下：從表2數(shù)據(jù)可以看出，在密度為1.37g/cm3的低密度條件下，水泥漿的流變性、沉降穩(wěn)定性良好，失水量較低，稠化時間滿足施工要求，擁有良好的觸變性和抗壓強度特性，彈性模量較低，預期可較好地滿足低溫煤層氣井的固井作業(yè)要求。

表2 低密高強韌性防漏防竄水泥漿體系性能

圖5 水泥石應力-應變曲線圖

7.結語

針對貴州煤層氣井固井存在的高含氣飽和度、固井環(huán)境溫度低、固井過程中易發(fā)生環(huán)空氣竄、水泥漿易漏失、水泥漿強度發(fā)展緩慢的問題?；陬w粒級配理論，優(yōu)選油井水泥、超細膠凝材料、微硅和玻璃微珠四種材料，設計開發(fā)了三元四組分膠凝水泥體系，具有良好的早強特性。采用納米二氧化硅、硫酸鈉、三乙醇胺、鋁酸鈉等開發(fā)形成了復合型油井水泥早強劑，水泥漿在30℃一天的強度可以提高60%以上。研究得到了一套橡膠粉表面改性工藝，改性得到了分散性良好、對水泥石抗壓強度損失較小的改性橡膠粉?；陂_發(fā)的低密度固結體系，以及優(yōu)選的早強劑、降失水劑、增韌劑等，開發(fā)形成了低密高強韌性防漏防竄水泥漿體系，該體系的綜合性能良好，預期可較好的滿足貴州低溫煤層氣井的固井作業(yè)要求。